(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１固定部と、一端を前記第１固定部に接続する弾性変形可能な第１梁と、を含む第１バネ系と、
第２固定部と、一端を前記第２固定部に接続する弾性変形可能な第２梁と、を含む第２バネ系と、
第３固定部と、一端を前記第３固定部に接続する弾性変形可能な第３梁と、を含む第３バネ系と、
第４固定部と、一端を前記第４固定部に接続する弾性変形可能な第４梁と、を含む第４バネ系と、
前記第１梁を介して前記第１固定部に懸架され、前記第２梁を介して前記第２固定部に懸架され、前記第３梁を介して前記第３固定部に懸架され、前記第４梁を介して前記第４固定部に懸架され、所定の変位方向に変位可能な可動体と、
を具備するセンサエレメントを有し、
前記センサエレメントの前記変位方向に直交する直交方向における中心を通り、前記変位方向に延伸する直線を、中心線とするとき、
前記第１固定部からみた前記第１梁の配置方向と、前記第２固定部からみた前記第２梁の配置方向とは、逆方向であり、
前記第３固定部からみた前記第３梁の配置方向と、前記第４固定部からみた前記第４梁の配置方向とは、逆方向であり、
前記直交方向において、前記中心線を中心に、前記第１バネ系および前記第２バネ系は同じ側に配置され、前記第３バネ系および前記第４バネ系は反対側に配置され、
前記第１梁と前記第２梁は、前記直交方向に並行して延在するように形成され、
前記第３梁と前記第４梁は、前記直交方向に並行して延在するように形成されていることを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項２】
第１固定部と、一端を前記第１固定部に接続する弾性変形可能な第１梁と、を含む第１バネ系と、
第２固定部と、一端を前記第２固定部に接続する弾性変形可能な第２梁と、を含む第２バネ系と、
第３固定部と、一端を前記第３固定部に接続する弾性変形可能な第３梁と、を含む第３バネ系と、
第４固定部と、一端を前記第４固定部に接続する弾性変形可能な第４梁と、を含む第４バネ系と、
前記第１梁を介して前記第１固定部に懸架され、前記第２梁を介して前記第２固定部に懸架され、前記第３梁を介して前記第３固定部に懸架され、前記第４梁を介して前記第４固定部に懸架され、所定の変位方向に変位可能な可動体と、
を具備するセンサエレメントを有し、
前記センサエレメントの前記変位方向に直交する直交方向における中心を通り、前記変位方向に延伸する直線を、中心線とするとき、
前記第１固定部からみた前記第１梁の配置方向と、前記第２固定部からみた前記第２梁の配置方向とは、逆方向であり、
前記第３固定部からみた前記第３梁の配置方向と、前記第４固定部からみた前記第４梁の配置方向とは、逆方向であり、
前記直交方向において、前記中心線を中心に、前記第１バネ系および前記第２バネ系は同じ側に配置され、前記第３バネ系および前記第４バネ系は反対側に配置され、
前記第１固定部と前記第２固定部は同一であり、
前記第３固定部と前記第４固定部は同一であることを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の微小電気機械システムであって、
前記第１梁は、第１折り返し部を介して前記可動部を懸架し、
前記第２梁は、第２折り返し部を介して前記可動部を懸架し、
前記第３梁は、第３折り返し部を介して前記可動部を懸架し、
前記第４梁は、第４折り返し部を介して前記可動部を懸架することを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項４】
請求項３に記載の微小電気機械システムであって、
前記第１固定部と前記第２固定部の間の距離は、前記第１折り返し部と前記第２折り返し部の間の距離よりも小さく、
前記第３固定部と前記第４固定部の間の距離は、前記第３折り返し部と前記第４折り返し部の間の距離よりも小さいことを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項５】
請求項１または２に記載の微小電気機械システムであって、
前記第１梁と前記第２梁は、一直線状に配置され、
前記第３梁と前記第４梁は、一直線状に配置されることを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項６】
請求項１または２に記載の微小電気機械システムであって、
前記第１バネ系および前記第２バネ系と、前記第３バネ系および前記第４バネ系とは、前記中心線を中心に対称に配置されることを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項７】
請求項１または２に記載の微小電気機械システムであって、
前記第１梁、前記第２梁、前記第３梁、および前記第４梁は、それぞれ複数の梁を有することを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項８】
請求項７に記載の微小電気機械システムであって、
前記第１梁を構成する複数の梁の本数と、前記第２梁を構成する複数の梁の本数とは、同じであり、
前記第３梁を構成する複数の梁の本数と、前記第４梁を構成する複数の梁の本数とは、同じであることを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項９】
請求項１に記載の微小電気機械システムであって、
前記第１固定部、前記第２固定部、前記第３固定部、前記第４固定部、前記第１梁、前記第２梁、前記第３梁、前記第４梁、および前記可動体は、第１半導体チップ上に形成され、
前記第１半導体チップは、下層基板上に接着剤を介して搭載されることを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の微小電気機械システムであって、
前記下層基板は、集積回路を形成した第２半導体チップであることを特徴とする微小電気機械システム。
【請求項１１】
請求項１または２に記載の微小電気機械システムであって、
前記センサエレメントは、角速度センサであることを特徴とする微小電気機械システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ（Micro electro mechanical systems）という）に関し、特に、車両、飛行機、ロボット、携帯電話機、ビデオカメラなどの運動体の運動状態を測定するのに使用される加速度センサ・角速度センサなどの慣性センサや、フィルタ、クロック発生用の振動子などの構造体の固有振動数が性能に影響するＭＥＭＳに適用して有効な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、デジタルカメラの手ぶれ防止、自動車やロボットの姿勢制御を目的として、ＭＥＭＳを使用したセンサが幅広く用いられるようになってきている。
【０００３】
一般に、この種のＭＥＭＳは、シリコン基板などの半導体基板を、フォトリソグラフィ技術やエッチング技術を用いて加工することにより形成され、半導体基板と、所定方向に変位する可動体と、この可動体と半導体基板とを連結する複数の梁を備えている。そして、ＭＥＭＳでは、可動体の変位に基づいて角速度や加速度などの物理量を検出するものである。
【０００４】
特許第３６６９７１３号（特許文献１）には、角速度センサの一例が記載されている。この角速度センサは、振動体（可動体）の周囲に振動体を振動させる振動発生手段を設けるとともに、振動体が振動方向と直交する方向に変位したときの変位量を角速度として検出する角速度検出手段が設けられている。このとき、振動体は、バネとして作用する梁を介して半導体基板に固定されており、このように構成することにより振動体は振動できるようになっている。
【０００５】
特開平９−２９２４０９号公報（特許文献２）には、加速度センサの一例が記載されている。この加速度センサは、可動体を一定方向に変位させるため、バネとして作用する梁を介して可動体を半導体基板に固定し、印加した加速度に応じて可動体が変位する構造を有している。そして、可動体の変位量を加速度として検出する加速度検出手段が設けられている。
【０００６】
上述した特許文献１に記載された角速度センサや特許文献２に記載された加速度センサは、センサエレメントと呼ばれている。すなわち、角速度センサや加速度センサなどのＭＥＭＳを形成した半導体チップをセンサエレメントと呼ぶ。実際のセンサは、一般に、センサエレメントをパッケージ本体へ接着材を用いて実装し、パッケージに設けられた電極から信号を取り出せるように、センサエレメントと、パッケージに形成された電極とをワイヤで接続する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６６９７１３号
【特許文献２】特開平９−２９２４０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した角速度センサでは、互いに直交する３軸をｘ軸、ｙ軸、ｚ軸とすると、まず、振動発生手段によって、振動体を半導体基板と平行なｘ軸方向に対して、周波数ｆ、振幅Ｘｅで振動させる。このとき、振動体のｘ軸方向の変位ｘとその速度ｖの関係は、（１）式で表される。
【０００９】
ｘ＝Ｘｅｓｉｎ（２πｆｔ）
ｖ＝２πｆＸｅｃｏｓ（２πｆｔ）                            ・・・（１）
ここで、ｆは周波数、Ｘｅは振幅、ｔは時間を示している。
【００１０】
この状態で、外部からｚ軸回りの角速度Ωを加えると、（２）式に示すコリオリ力Ｆｃが発生し、振動体はこのコリオリ力Ｆｃによりｘ軸に直交したｙ軸方向に変位する。そして、角速度検出手段で、このコリオリ力Ｆｃによる振動体のｙ軸方向の変位を、例えば、静電容量や抵抗の変化として検出することにより、角速度を検出している。
【００１１】
Ｆｃ＝２ｍΩｖ                                              ・・・（２）
ここで、ｍは振動体の質量、Ωは角速度、ｖは振動体のｘ軸方向の速度を示している。
【００１２】
さらに、角速度センサにおいては、振動体がｘ軸方向に振動するときの周波数ｆが常に共振状態となるとき、すなわち、振動体の固有振動数ｆ０で振動しているときに、安定したｙ軸方向への変位を検出することができる。一般に、振動体の固有振動数ｆ０は、（３）式で定義されている。
【００１３】
ｆ０＝１／（２π）×√（ｋ／ｍ）                            ・・・（３）
ここで、ｋは梁のバネ定数、ｍは振動体の質量を示している。
【００１４】
角速度検出感度Ｓ（Ω）＝Ｆｃ／Ωで定義すると、角速度検出感度Ｓ（Ω）は、（１）式、（２）式、（３）式から（４）式のように求められる。したがって、角速度検出感度Ｓ（Ω）は、固有振動数ｆ０と振動体の質量ｍと振幅Ｘｅに比例することがわかる。
【００１５】
Ｓ（Ω）＝Ｆｃ／Ω∝ｆ０、ｍ、Ｘｅ                          ・・・（４）
次に、上述した加速度センサは、この加速度センサに加速度ａ１が印加された場合、可動体に発生する力Ｆ１は（５）式に示される。
【００１６】
Ｆ１＝ｍ１×ａ１＝ｋ１×ｘ１                                ・・・（５）
ここで、ｍ１は可動体の質量、ａ１は可動体に印加された加速度、ｋ１は梁のバネ定数、ｘ１は可動体の変位量を示している。
【００１７】
そして、（５）式から加速度検出感度Ｓ１＝ｘ１／ａ１とし、これを固有振動数の定義式である（３）式と関連付けると、加速度検出感度Ｓ１は、（６）式に示すように、可動体の固有振動数ｆ１で決定されることがわかる。
【００１８】
Ｓ１＝ｘ１／ａ１＝ｍ１／ｋ１＝１／（２πｆ０）２              ・・・（６）
しかし、一般的に、センサエレメントをパッケージ本体へ接着する際、接着材の硬化に伴う体積変形により、接着材からセンサエレメントへの応力が発生する。このセンサエレメントに生じる応力により、センサエレメント（可動体、振動体）の固有振動数ｆ０が変化する問題点がある。また、センサエレメントの周囲温度が変化した場合も、センサエレメントを構成する材料の熱膨張係数の差により応力が発生し、センサエレメント（可動体、振動体）の固有振動数ｆ０が変わるという問題点がある。このような固有振動数ｆ０の変動は、角速度センサや加速度センサにおいて、検出感度の変動を引き起こす結果、角速度センサや加速度センサの測定精度の低下を引き起こす。
【００１９】
本発明の目的は、応力に起因したＭＥＭＳの固有振動数の変動を抑制することにより、ＭＥＭＳの検出感度の変動による測定精度の劣化を抑制することができる技術を提供することにある。
【００２０】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００２２】
代表的な実施の形態による微小電気機械システムは、（ａ）第１固定部と、（ｂ）一端を前記第１固定部に接続する弾性変形可能な第１梁と、（ｃ）第２固定部と、（ｄ）一端を前記第２固定部に接続する弾性変形可能な第２梁と、（ｅ）前記第１梁の他端および前記第２梁の他端と接続する変位可能な可動体とを第１半導体チップ上に形成した微小電気機械システムに関する。このとき、前記第１半導体チップに生じる応力によって、前記第１固定部と前記第２固定部が同一方向に変位する場合、前記第１梁のバネ定数は、前記第１固定部が変位しないときに比べて増加し、前記第２梁のバネ定数は、前記第２固定部が変位しないときに比べて減少することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２４】
ＭＥＭＳの測定精度の劣化を抑制することができる結果、ＭＥＭＳの信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明者が検討した角速度センサのセンサエレメントの構成を示す平面図である。
【図２】本発明者が検討した角速度センサのセンサエレメントに引張応力が働く様子を示す図である。
【図３】本発明者が検討した技術において、半導体基板のｙ方向の位置とそれぞれの位置で働く応力を示すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態１における加速度センサのセンサエレメントの構成を示す平面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線で切断した断面図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。
【図７】実施の形態１における加速度センサのセンサエレメントをパッケージングした様子を示す断面図である。
【図８】実施の形態１における加速度センサの加速度検出構成を模式的に示すブロック図である。
【図９】半導体基板に変形が生じる様子を示す断面図である。
【図１０】実施の形態１における加速度センサのセンサエレメントに引張応力が働く様子を示す図である。
【図１１】実施の形態１で説明する技術において、半導体基板のｙ方向の位置とそれぞれの位置で働く応力を示すグラフである。
【図１２】実施の形態２における加速度センサのセンサエレメントの構成を示す図である。
【図１３】図１２の梁が形成されている領域を拡大した図である。
【図１４】図１３に示す梁において、固定部が変位した場合に働く引張応力と圧縮応力を示す図である。
【図１５】実施の形態３における加速度センサのセンサエレメントの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
【００２７】
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
【００２８】
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
【００２９】
同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００３０】
また、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、図面をわかりやすくするために平面図であってもハッチングを付す場合がある。
【実施例１】
【００３１】
まず、本発明者が検討した角速度センサを例に挙げて、固有振動数が変化するメカニズムについて説明する。図１は、本発明者が検討した角速度センサのセンサエレメント１００の構成を示す平面図である。図１に示すように、矩形形状の半導体基板１０１には、固定部１０２ａ、１０２ｂが形成されており、この固定部１０２ａ、１０２ｂと梁１０３を介して振動体１０４が接続されている。梁１０３は弾性変形可能なように構成されており、この梁１０３に接続されている振動体１０４はｘ軸方向に振動できるようになっている。振動体１０４は外枠体を構成しており、この外枠体の内部に梁１０５を介して振動体１０６が形成されている。この振動体１０６は、ｙ軸方向に変位することが可能なように構成されている。
【００３２】
本発明者が検討した角速度センサのセンサエレメントは上記のように構成されており、以下にその動作について簡単に説明する。まず、図１に示す振動体１０４をｘ軸方向に振動させる。このとき、振動体１０４の内部に梁１０５を介して配置されている振動体１０６もｘ軸方向に振動する。この状態で、ｚ軸周りに角速度が作用すると、コリオリ力によって、振動体１０４の内部に配置されている振動体１０６がｙ軸方向に変位する。振動体１０６によるｙ軸方向の変位は、ｚ軸周りに発生する角速度の大きさに比例するので、振動体１０６のｙ軸方向の変位を検出することで、ｚ軸周りの角速度を検出することができる。例えば、振動体１０６のｙ軸方向の変位によって、固定電極と振動体１０６で形成される静電容量が変化するので、この静電容量の変化を電圧信号に変換することにより、振動体１０６のｙ軸方向の変位量を検出することができる。つまり、振動体１０６のｙ軸方向の変位を静電容量の変化として検出することにより、ｚ軸周りに発生する角速度を測定することができる。
【００３３】
以上のようなセンサエレメント１００はパッケージに実装されて角速度センサとなる。このとき、センサエレメント１００は、パッケージに接着材によって接着されるが、接着材の硬化に伴う体積変形などによりセンサエレメント１００に応力が発生する。例えば、図２に示すように、センサエレメント１００を構成する半導体基板１０１に対して、ｙ方向の引張応力が発生したとすると、半導体基板１０１はｙ方向に延びるように変形する。このとき、固定部１０２ａ、１０２ｂは半導体基板１０１に固定されているため、半導体基板１０１がｙ方向に延びると、それに伴って固定部１０２ａ、１０２ｂも変位する。一方、振動体１０４は半導体基板１０１に固定されていないので、半導体基板１０１に引張応力が発生しても、振動体１０４は変位しない。このため、固定部１０２ａ、１０２ｂと振動体１０４を接続する梁１０３には引張応力が働く。すなわち、梁１０３の一端に接続している固定部１０２ａ、１０２ｂが変位する一方、梁１０３の他端に接続している振動体１０４が変位しないので、梁１０３は、固定部１０２ａ、１０２ｂの変位に伴って引っ張られる。この結果、梁１０３には引張応力が発生する。梁１０３に引張応力が働くと、梁１０３のバネ定数が増加するため、センサエレメント１００の固有振動数も増加することになる。
【００３４】
ここで、振動体１０４は、固定部１０２ａと固定部１０２ｂと接続されているが、半導体基板１０１のｙ方向に引張応力が働く場合、固定部１０２ａと振動体１０４を接続する梁１０３と、固定部１０２ｂと振動体１０４を接続する梁１０３の両方とも、引張応力が働くことになる。このことについて図３を参照しながら説明する。図３は、半導体基板１０１のｙ方向の位置とそれぞれの位置で働く応力を示すグラフである。図３において、横軸はｙ方向の位置を示しており、縦軸は応力を示している。半導体基板１０１に引張応力が働く場合、ｙ方向の中心位置（Ｃ）を境にして応力の働く向きが逆になっていることがわかる。例えば、固定部１０２ａが位置するｙ１では、−ｙ方向に応力σが働く一方、固定部１０２ｂが位置するｙ２では、＋ｙ方向に応力σが働いていることがわかる。したがって、半導体基板１０１に引張応力が働くと、固定部１０２ａと固定部１０２ｂは共に外側に変位するように応力が働くことがわかる。一方、図２に示すように、振動体１０４は、ｙ方向において、固定部１０２ａと固定部１０２ｂの間に配置されており、半導体基板１０１から浮いている状態で配置されているので、変位することはない。以上のことから、半導体基板１０１に引張応力が働くと、固定部１０２ａと固定部１０２ｂは、ともに振動体１０４から離れるように変位する。この結果、固定部１０２ａと振動体１０４の間に設けられている梁１０３と、固定部１０２ｂと振動体１０４の間に設けられている梁１０３には、ともに引張応力が働くことになるのである。したがって、振動体１０４に接続しているすべての梁１０３には引張応力が働くことになり、センサエレメント１００全体として見た場合、梁１０３のバネ定数が増加することになり、センサエレメント１００の固有振動数が増加するように変化することになる。
【００３５】
当然のことながら、接着材と半導体基板１０１との熱膨張係数は通常異なるため、周囲温度の変化に伴い半導体基板１０１にかかる応力は変化する。このため、周囲の温度変化もセンサエレメントの固有振動数が変動する要因となる。さらに、接着材の機械定数が経時変化した場合についても、同様に固有振動数が変動する要因となる。
【００３６】
特に、最近は低コスト化のため、センサエレメントをプラスチック樹脂でモールドする場合も多い。一般的にプラスチック樹脂としては、その形成プロセスの都合上熱硬化性樹脂が使われる場合が多く、成形時に体積が大きく変化し歪みが発生するため、センサエレメントの固有振動数の変動はより顕著に現れる。
【００３７】
上述した固有振動数の変動は、センサエレメント１００とパッケージとの接着に起因する要因について説明したが、センサエレメント１００単独でも固有振動数が変動する要因がある。
【００３８】
センサエレメント１００の作製によく使われるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板は、基板層と、この基板層上に形成されている埋め込み絶縁層と、埋め込み絶縁層上に形成されたシリコン層から構成される。このＳＯＩ基板でセンサエレメント１００を形成する場合、固定部１０２ａ、１０２ｂはシリコン層を加工して形成され、固定部１０２ａ、１０２ｂを構成するシリコン層は埋め込み絶縁層を介して基板層に固定されている。一方、梁１０３および振動体１０４も、シリコン層を加工して形成されるが、可動できるように、梁１０３および振動体１０４を構成するシリコン層の下層に位置する埋め込み絶縁層は除去され、基板層から浮いた状態になっている。
【００３９】
このように構成されているＳＯＩ基板では、基板層とシリコン層がシリコンから形成され、埋め込み絶縁層が酸化シリコン膜から形成されている。シリコンと酸化シリコン膜は熱膨張係数が異なるため、周囲温度が変化するとシリコン層は埋め込み絶縁層から応力を受ける。このため、固定部１０２ａ、１０２ｂは、埋め込み絶縁層から受ける応力によって位置が変わる。一方、振動体１０４は基板層から浮いているため変形しない。この結果、振動体１０４と固定部１０２ａ、１０２ｂを接続する梁１０３は、引張応力または圧縮応力を受ける。したがって、梁１０３のバネ定数が変化して、センサエレメント１００の固有振動数が変動することになる。
【００４０】
以上のように、センサエレメント１００とパッケージとの接着、あるいは、センサエレメント１００単独の構造に起因する応力により固有振動数が変動することがわかる。センサエレメント１００の固有振動数の変動は、角速度センサや加速度センサにおける検出感度の変動を引き起こし、それによって測定精度の劣化や信頼性の低下が問題となる。
【００４１】
そこで、本実施例１では、センサエレメントの固有振動数の変動を抑制する構造を提案する。以下に、本実施の形態１におけるＭＥＭＳについて図面を参照しながら説明する。本実施例１では、ＭＥＭＳの一例として加速度センサを例に挙げて説明する。
【００４２】
図４は、本実施例１における加速度センサのセンサエレメントを示す平面図である。図４に示すように、加速度センサのセンサエレメント（第１半導体チップ）１は、矩形形状の半導体基板２を有しており、この半導体基板２に、固定部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと可動体５が形成されている。固定部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄは、半導体基板２に固定されている一方、可動体５は変位できるように構成されている。具体的には、固定部３ａと可動体５は、弾性変形可能な梁４ａで接続され、同様に、固定部３ｂと可動体５は、弾性変形可能な梁４ｂで接続されている。さらに、固定部３ｃと可動体５は、弾性変形可能な梁４ｃで接続され、固定部３ｄと可動体５は、弾性変形可能な梁４ｄで接続されている。すなわち、可動体５は、固定部３ａ〜３ｄとそれぞれ梁４ａ〜４ｄを介して接続されている。このように構成されている可動体５は、ｘ方向に変位できるようになっている。
【００４３】
さらに、半導体基板２には、固定電極６が形成されており、この固定電極６と可動体５により静電容量素子が構成されている。すなわち、固定電極６および可動体５は導電材料から構成されており、固定電極６と可動体５とは一対の電極を構成している。また、固定部３ａと固定電極６には外部回路との信号をやりとりするためのパッド７ａ、７ｂが形成されている。
【００４４】
図５は、図４のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図５に示すように、センサエレメント１は、例えば、ＳＯＩ基板をフォトリソグラフィ技術とＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）技術で加工することにより形成されている。ＳＯＩ基板は、単結晶シリコンからなる半導体基板（基板層）２と、酸化シリコン膜からなる埋め込み絶縁層（ＢＯＸ層）２ａと、埋め込み絶縁層２ａ上に形成され、単結晶シリコンよりなるシリコン層（活性層）から構成されている。具体的に、図５に示すように、シリコン層を加工して固定電極６、可動体５および固定部３ｂが形成されている。このとき、固定電極６と固定部３ｂは、埋め込み絶縁層２ａを介して半導体基板２に固定されている。そして、固定電極６上にはパッド７ｂが形成されている。一方、シリコン層を加工して形成されている可動体５では、下層の埋め込み絶縁層２ａが除去されており、可動体５は半導体基板２から浮くように配置され、動くことができるように構成されている。
【００４５】
図６は、図４のＢ−Ｂ線で切断した断面図である。図６に示すように、ＳＯＩ基板のシリコン層を加工して固定部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、梁４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、可動体５および固定電極６が形成されている。固定部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄおよび固定電極６は、埋め込み絶縁層２ａを介して半導体基板２に固定されている。これに対し、梁４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄおよび可動体５では、下層の埋め込み絶縁層２ａが除去されている。これにより、梁４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄおよび可動体５は半導体基板２から浮いた構造となっており、変位することができるようになっている。このとき、梁４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの一端は固定部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄに接続され、もう一端が可動体５に接続されるように構成されている。したがって、可動体５は、半導体基板２から浮いた構造となっているが、梁４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄによって支持されていることになる。
【００４６】
なお、本実施例１では、ＳＯＩ基板を使用してセンサエレメント１を形成しているが、必ずしもＳＯＩ基板を使用する必要はない。例えば、シリコンとガラスを貼り合わせた基板、もしくは、基板層の役割を成すシリコン基板上に、ＢＯＸ層の役割を成す絶縁膜を形成し、活性層の役割を成すポリシリコン膜など導電性膜を成膜した半導体基板を用いて、センサエレメント１を形成することもできる。
【００４７】
本実施例１における加速度センサのセンサエレメント１は上記のように構成されており、以下に、センサエレメント１をパッケージングした構成について説明する。図７は、センサエレメント１をパッケージングした構成を示す断面図である。図７に示すように、凹部を有する外枠体１０の底面に接着材１１を介して集積回路を形成した半導体チップ（第２半導体チップ）１２を搭載し、この半導体チップ１２上に接着材１３を介してセンサエレメント（第１半導体チップ）１を搭載する。そして、例えば、センサエレメント１の固定電極６に形成されているパッド７ｂと、半導体チップ１２に形成されているパッド１２ａとをワイヤ１４ｂを使用することにより接続する。同様に、半導体チップ１２に形成されているパッド１２ｂと外枠体１０に形成されているパッド１０ａとをワイヤ１４ａで接続する。これにより、センサエレメント１と半導体チップ１２に形成されている集積回路とを電気的に接続し、さらに、半導体チップ１２に形成されている集積回路からの出力信号を外枠体１０から外部に出力することができる。このように外枠体１０の内部に配置されたセンサエレメント１および半導体チップ１２は、外枠体１０の上部に設けられたキャップ１５により封止される。以上のようにして、センサエレメント１をパッケージングすることができ、加速度センサを形成することができる。
【００４８】
続いて、本実施例１における加速度センサの動作について説明する。本実施例１では、主に図４に示す可動体５の質量が、上述した（５）式のｍ１となり、図４に示す梁４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのバネ定数の合計が（５）式のｋ１となる。ここで、加速度センサ（図４に示すセンサエレメント１）の検出方向（ｘ方向）に加速度ａ１が印加されると、可動体５は検出方向に変位する。その変位量は上述した（５）式からｘ１=（ｍ１／ｋ１）×ａ１である。変位ｘ１が発生すると、可動体５と固定電極６の距離が変動し、可動体５と左側の固定電極６（図４参照）の静電容量と、可動体５と右側の固定電極６（図４参照）の静電容量は、それぞれ減少方向と増加方向に変化する。例えば、可動体５が図４の右側方向に変位する場合、可動体５と左側の固定電極６との間の距離は大きくなるので静電容量は減少し、可動体５と右側の固定電極６との間の距離は小さくなるので静電容量は増加する。
【００４９】
この容量の変化は、図７に示すセンサエレメント１から図７に示すセンサ制御・信号処理用ＩＣである半導体チップ１２に形成されている集積回路に出力されて処理される。具体的には、図８に示すように、半導体チップ１２（図７参照）に形成されている集積回路２０から静電容量を検出するための搬送波２１を図４に示す固定電極６のパッド７ｂに印加する。すると、図４に示す可動体５に梁４ａを介して連結されている固定部３ａのパッド７ａから容量変化の信号が出力される。すなわち、図８に示すように、センサエレメント１からの容量変化の信号がＣＶ変換部２２に差動入力される。ＣＶ変換部２２では、容量変化が電圧信号に変換された後、この電圧信号が同期検波部２３に出力される。同期検波部２３では必要な信号成分のみを取り出して最終的に電圧の形態で加速度信号２４を出力する。このとき、可動体５の変位量ｘ１は、可動体５の質量ｍと、梁４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのバネ定数の合計ｋが一定であれば印加された加速度に比例することから、変位量ｘ１に比例する出力電圧（加速度信号）をモニタすることで、印加された加速度を検出することができる。以上のようにして、本実施例１における加速度センサが動作する。
【００５０】
次に、本実施例１では、センサエレメント１の固有振動数の変動を抑制する構造をしていることについて説明する。図９は、センサエレメント１のパッケージングにおいて、センサエレメント１と半導体チップ１２とを接着材１３を介して接続する構成を示す図である。まず、接着材１３は粘性が低い状態で半導体チップ１２とセンサエレメント１との間に塗布される。そして、この接着材１３を加熱硬化させることにより、センサエレメント１と半導体チップ１２とを接着固定している。しかし、接着材１３の加熱硬化時に接着材１３の粘度を低くするため用いられている有機溶剤が揮発するため、接着材１３の体積が変化し、その影響によってセンサエレメント１を形成している半導体基板２が変形する（第１要因）。
【００５１】
さらに、センサエレメント１は、例えば、ＳＯＩ基板から構成されるが、このＳＯＩ基板では、基板層とシリコン層がシリコンから形成され、埋め込み絶縁層が酸化シリコン膜から形成されている。シリコンと酸化シリコン膜は熱膨張係数が異なるため、周囲温度が変化するとシリコン層は埋め込み絶縁層から応力を受ける。すなわち、ＳＯＩ基板を構成する構成要素（基板層、埋め込み絶縁層、シリコン層）の熱膨張係数の相違により、センサエレメント１を構成している半導体基板２が変形する（第２要因）。
【００５２】
上述した第１要因と第２要因を含む要因によって、図９に示すように、半導体基板２が変形する。図９に示すような変形が半導体基板２に生じると、半導体基板２に固定されている固定部３ａ〜３ｄが変位する。具体的には、半導体基板２の周辺近傍に形成されている固定部３ａおよび固定部３ｃは距離ｄ２だけ変位し、半導体基板２の中央部近傍に形成されている固定部３ｂおよび固定部３ｄは距離ｄ１だけ変位する。このとき、距離ｄ２のほうが距離ｄ１よりも大きくなっている。このように半導体基板２が変形すると、固定部３ａ〜３ｄが変位する結果、固定部３ａ〜３ｄに接続されている梁４ａ〜４ｄに応力が働くことになる。
【００５３】
この梁４ａ〜４ｄに働く応力について図１０を用いて説明する。図１０は、図９に示す半導体基板２の変形が生じた場合に梁４ａ〜４ｄに働く応力を示す図である。図１０において、まず、半導体基板２の変形によって固定部３ａ〜３ｄは半導体基板２のｙ方向において外側方向に変位する。つまり、固定部３ａと固定部３ｂは紙面上方向（−ｙ方向）に変位し、固定部３ｃと固定部３ｄは紙面下方向（＋ｙ方向）に変位する。このとき、可動体５は、半導体基板２から浮いた状態で配置されているので、半導体基板２の変形の影響は受けずに変位しない。したがって、例えば、固定部３ａと可動体５との関係を考えると、固定部３ａは紙面上方向（−ｙ方向）に変位し、かつ、可動体５が変位しないことから、固定部３ａと可動体５との間の距離は大きくなる。このため、固定部３ａと可動体５とを接続する梁４ａには引張応力（＋σ１）が発生し、梁４ａのバネ定数は増加する。これに対し、例えば、固定部３ｂと可動体５との関係を考えると、固定部３ｂは紙面上方向（−ｙ方向）に変位し、かつ、可動体５が変位しないことから、固定部３ｂと可動体５との間の距離は小さくなる。このため、固定部３ｂと可動体５とを接続する梁４ｂには圧縮応力（−σ２）が発生し、梁４ｂのバネ定数は減少する。
【００５４】
このことから、梁４ａと梁４ｂを組み合わせたバネ系を考えると、梁４ａに働く引張応力に起因するバネ定数の増加と、梁４ｂに働く圧縮応力に起因するバネ定数の減少が互いに相殺することにより、梁４ａと梁４ｂを組み合わせたバネ系のバネ定数の変動を抑制することができる。この点が本実施例１の特徴の１つである。つまり、個々の梁４ａや梁４ｂに起因するバネ定数の変動は生じるが、梁４ａと梁４ｂを組み合わせた１つのバネ系を考えると、バネ定数の変動を低減することができるのである。
【００５５】
このことは、固定部３ｃと可動体５とを接続する梁４ｃと、固定部３ｄと可動体５とを接続する梁４ｄとの間でも成立する。すなわち、固定部３ｃと可動体５との関係を考えると、固定部３ｃは紙面下方向（＋ｙ方向）に変位し、かつ、可動体５が変位しないことから、固定部３ｃと可動体５との間の距離は大きくなる。このため、固定部３ｃと可動体５とを接続する梁４ｃには引張応力（＋σ１）が発生し、梁４ｃのバネ定数は増加する。これに対し、例えば、固定部３ｄと可動体５との関係を考えると、固定部３ｄは紙面下方向（＋ｙ方向）に変位し、かつ、可動体５が変位しないことから、固定部３ｄと可動体５との間の距離は小さくなる。このため、固定部３ｄと可動体５とを接続する梁４ｄには圧縮応力（−σ２）が発生し、梁４ｄのバネ定数は減少する。
【００５６】
したがって、梁４ｃと梁４ｄを組み合わせたバネ系を考えると、梁４ｃに働く引張応力に起因するバネ定数の増加と、梁４ｄに働く圧縮応力に起因するバネ定数の減少が互いに相殺することにより、梁４ｃと梁４ｄを組み合わせたバネ系のバネ定数の変動を抑制することができるのである。
【００５７】
本実施例１におけるセンサエレメント１では、梁４ａと梁４ｂを組み合わせた第１バネ系を２つ有し、かつ、梁４ｃと梁４ｄを組み合わせた第２バネ系を２つ有する構成をしているが、それぞれの第１バネ系と第２バネ系でバネ定数の変動を低減できる結果、センサエレメント１の可動体５と固定部３ａ〜３ｄを接続しているすべての梁４ａ〜４ｄを組み合わせたバネ定数の変動を抑制できるのである。センサエレメント１のトータルのバネ定数の変動を抑制できることは、センサエレメント１の固有振動数の変動を抑制できることを意味する。このことから、本実施例１によれば、センサエレメント１の固有振動数の変動を抑制できるので、角速度センサや加速度センサにおける検出感度の変動を抑制することができ、これによって、測定精度の劣化や信頼性の低下を防止できる。
【００５８】
本実施例１の特徴は、可動体と固定部を接続するバネ系を工夫することにある。例えば、可動体５と固定部３ａを接続する梁４ａと、可動体５と固定部３ｂとを接続する梁４ｂで１つのバネ系を構成するのである。この場合、梁４ａのバネ定数は増加する一方、梁４ｂのバネ定数は減少することから、梁４ａと梁４ｂを組み合わせた１つのバネ系では、バネ定数の変動を相殺させることにより低減できるのである。
【００５９】
バネ定数の変動を相殺できる構成は、例えば、センサエレメント（第１半導体チップ）１の中心線に対して、固定部３ａ、梁４ａ、固定部３ｂおよび梁４ｂが同じ側に配置されるようにすることで実現できる。このとき、例えば、半導体基板２の変形がｙ軸方向に発生する場合には、センサエレメント１の中心線とは、ｙ方向の中心（Ｃ）を通りｘ軸方向（可動体５の変位方向）に延在する直線とすることができる。そして、この場合、梁４ａと梁４ｂは、中心線に交差する方向に配置されているのである。この構成を前提とし、さらに、最も重要な構成は、梁４ａと梁４ｂに接続する可動体５の接続部は、梁４ａと梁４ｂとに挟まれるように配置されていることである。言い換えれば、梁４ａと梁４ｂに接続する可動体５の接続部に対して、梁４ａと梁４ｂは反対側に配置されている構成をとるということもできる。
【００６０】
例えば、固定部３ａと固定部３ｂとを中心線に対して同じ側に配置することで、固定部３ａと固定部３ｂとを同一方向（紙面上方向、−ｙ方向）に変位させることができる。この状態で、固定部３ａと固定部３ｂの間に挟まれるように可動体５の接続部を設けることにより、固定部３ａと可動体５とを接続する梁４ａには引張応力が働くのに対し、固定部３ｂと可動体５とを接続する梁４ｂには圧縮応力が働くようにすることができるのである。このため、梁４ａのバネ定数は増加し、梁４ｂのバネ定数は減少する。したがって、梁４ａと梁４ｂを組み合わせたバネ系のバネ定数の変動を抑制することができるのである。
【００６１】
図１１は、本実施例１におけるセンサエレメント１で、半導体基板２のｙ方向の位置とそれぞれの位置で働く応力を示すグラフである。図１１において、横軸はｙ方向の位置を示しており、縦軸は応力を示している。半導体基板２に引張応力が働く場合、ｙ方向の中心位置（Ｃ）を境にして応力の働く向きが逆になっていることがわかる。したがって、１つのバネ系を構成する固定部３ａと固定部３ｂとに同一方向の応力を発生させるためには、ｙ方向の中心位置（Ｃ）に対して同じ側に固定部３ａと固定部３ｂを配置する必要があることがわかる。例えば、図１１において、ｙ１ａは、固定部３ａの配置位置を示しており、ｙ１ｂは、固定部３ｂの配置位置を示している。したがって、固定部３ａと固定部３ｂはｙ方向の中心位置（Ｃ）に対して同じ側に配置されていることがわかる。このような状態で、固定部３ａと固定部３ｂの間に挟まれるように可動体５の接続部を設けることにより、固定部３ａと可動体５とを接続する梁４ａには引張応力が働くのに対し、固定部３ｂと可動体５とを接続する梁４ｂには圧縮応力が働くようにすることができるのである。ただし、梁４ａに働く（固定部３ａに働くとも言える）応力（σ１）と梁４ｂに働く（固定部３ｂに働くとも言える）応力（σ２）の大きさが異なるので、梁４ａに働く引張応力と梁４ｂに働く圧縮応力を完全に相殺することはできないが、少なくとも、梁４ａと梁４ｂを組み合わせたバネ系のバネ定数の変動を小さくできることは確かである。
【００６２】
同様に、１つのバネ系を構成する固定部３ｃと固定部３ｄとに同一方向の応力を発生させるためには、ｙ方向の中心位置（Ｃ）に対して同じ側に固定部３ｃと固定部３ｄを配置する必要があることがわかる。例えば、図１１において、ｙ２ａは、固定部３ｃの配置位置を示しており、ｙ２ｂは、固定部３ｄの配置位置を示している。したがって、固定部３ｃと固定部３ｄはｙ方向の中心位置（Ｃ）に対して同じ側に配置されていることがわかる。このような状態で、固定部３ｃと固定部３ｄの間に挟まれるように可動体５の接続部を設けることにより、固定部３ｃと可動体５とを接続する梁４ｃには引張応力が働くのに対し、固定部３ｄと可動体５とを接続する梁４ｄには圧縮応力が働くようにすることができるのである。ただし、梁４ｃに働く（固定部３ｃに働くとも言える）応力（σ１）と梁４ｄに働く（固定部３ｄに働くとも言える）応力（σ２）の大きさが異なるので、梁４ｃに働く引張応力と梁４ｄに働く圧縮応力を完全に相殺することはできないが、少なくとも、梁４ｃと梁４ｄを組み合わせたバネ系のバネ定数の変動を小さくできることは確かである。
【００６３】
なお、本実施例１におけるセンサエレメント１では、図１０に示すように、例えば、梁４ａと梁４ｂのように一直線上に配置するように構成してもよいし、例えば、梁４ｃと梁４ｄのように一直線上に配置しないように構成してもよい。いずれの構成においても、一方の梁のバネ定数を増加させ、他方の梁のバネ定数を減少させることができる。したがって、一直線上に配置された梁４ａと梁４ｂを組み合わせたバネ系のバネ定数の変動だけでなく、一直線上に配置されていない梁４ｃと梁４ｄを組み合わせたバネ系のバネ定数の変動も抑制することができる。
【００６４】
本実施例１における微小電気機械システムは、基板に固定されている固定部と、この固定部に延設され可動体を可動できる状態に支持する梁と、梁に懸架された可動体とを備えているＭＥＭＳにおいて、固定部と梁を１つのバネ系として捉えた場合、２つ以上のバネ系を持っていて、それぞれの固定部が基板の変形などによって位置変動したとき、バネ定数が増加する第１バネ系と、バネ定数が減少する第２バネ系として構成されていることを特徴としている。これにより、第１バネ系と第２バネ系を組み合わせた１つのバネ組において、バネ定数の変動を抑制することができる。
【００６５】
可動体の固有振動数は可動体の質量と可動体を基板に懸架している梁のバネ定数との関数となる。ここで、異物の付着等がない場合を仮定すれば、可動体の質量の温度・経時変動は無視できるため、固有振動数は梁のバネ定数のみの関数となる。このため、温度・経時など周辺環境の変化により、基板もしくは可動体が変形した場合でも、振動系（バネ系）全体のバネ定数の変動がなければ固有振動数は変動しないこととなる。従って、本実施例１における技術的思想を用いることにより、固有振動数が構造の性能に影響を及ぼす角速度センサ、加速度センサ、フィルタ、振動子などにおいて、実装歪み、温度変動など、周辺環境変動にロバストな構造を提供することができる。
【００６６】
さらに、第１バネ系と第２バネ系を１つのバネ組として捉えた場合、１つのバネ組が駆動軸の中心からみて直交方向において同じ側に配置されており、それぞれの固定部から見て逆方向に延びる梁を有し、同一構造が駆動軸を中心に対称的に反対側にも構成されていることを特徴としている。ここでは、第１バネ系と第２バネ系を駆動軸の中心からみて同じ側に対称的に配置しているため、基板もしくは可動体が実装ひずみ、温度変動等によって変形した場合に、各バネ系にある各固定部は同じ方向に変位する。このため、例えば、第１バネ系に引張応力が発生した場合には、第２バネ系には圧縮応力が発生し、結果的に第１バネ系と第２バネ系で構成される１つのバネ組内ではバネ定数の変動が抑制できるのである。
【実施例２】
【００６７】
本実施例２では、半導体基板に応力が発生した場合に、センサエレメント全体のバネ定数の変動をさらに抑制することができる例について説明する。
【００６８】
図１２は、本実施の形態２における加速度センサのセンサエレメント１を示す平面図である。図１２において、本実施の形態２におけるセンサエレメント１の特徴は、例えば、固定部３０ａと可動体５とを接続する梁３２ａに折り返し部３１ａを設けたことにある。同様に、固定部３０ｂと可動体５とを接続する梁３２ｂにも折り返し部３１ｂを設けている。これにより、可動体５の接続部に対して対称な位置に配置されている固定部３０ａと固定部３０ｂとの距離を近づけることができる。すなわち、梁３２ａは梁３２ａの一端と梁３２ａの他端との間に折り返し部３１ａを有し、梁３２ｂは梁３２ｂの一端と梁３２ｂの他端との間に折り返し部３１ｂを有している。
【００６９】
このように固定部３０ａと固定部３０ｂとを近づける利点について説明する。例えば、図１１を見るとわかるように、ｙ軸の中心（Ｃ）から同じ側にあると同一方向の応力が発生するが、固定部３０ａの位置をｙ１ａとし、固定部３０ｂの位置をｙ１ｂとすると、固定部３０ａの位置ｙ１ａと、固定部３０ｂの位置ｙ１ｂが離れると応力の大きさがかなり相違することになる。このとき、本実施の形態２では、固定部３０ａに接続される梁３２ａに圧縮応力が働き、固定部３０ｂに接続されている梁３２ｂに引張応力が働く。このため、梁３２ａでのバネ定数の減少と梁３２ｂでのバネ定数の増加を相殺することができ、梁３２ａのバネ系と梁３２ｂのバネ系を組み合わせたバネ組におけるバネ定数の変動を抑制することができる。ただし、固定部３０ａと固定部３０ｂの距離が離れていると、梁３２ａに働く圧縮応力の大きさと、梁３２ｂに働く引張応力の大きさがかなり相違するために、完全に圧縮応力と引張応力とを相殺することができない。すなわち、理想的には、梁３２ａに働く圧縮応力の大きさと、梁３２ｂに働く引張応力の大きさが等しくなることが望ましい。このためには、図１１からわかるように、固定部３０ａと固定部３０ｂの距離が小さくなることが望ましい。
【００７０】
そこで、本実施例２では、図１２に示すように、固定部３０ａと固定部３０ｂとの間の距離を小さくしているのである。固定部３０ａと固定部３０ｂとの間の距離を小さくするためには、梁３２ａと梁３２ｂの配置を工夫する必要があり、例えば、梁３２ａに折り返し部３１ａを設けることで実現している。以上の構成は、センサエレメント１を構成するすべての固定部と梁に適用している。例えば、固定部３０ｃと可動体５とを接続する梁３２ｃに折り返し部３１ｃを設けている。同様に、固定部３０ｄと可動体５とを接続する梁３２ｄにも折り返し部３１ｄを設けている。
【００７１】
このように本実施例２におけるセンサエレメント１では、梁３２ａ〜３２ｄに折り返し部３１ａ〜３１ｄを設けることにより、固定部３０ａと固定部３０ｂあるいは固定部３０ｃと固定部３０ｄを近づけている。これは、固定部間の距離が離れている場合には、各固定部の位置変動量が異なるため、梁に発生する内部応力の大きさも異なることになるからである。すなわち、固定部間の距離が離れている場合には、例えば、梁３２ａによるバネ系と梁３２ｂによるバネ系を組み合わせたバネ組でのバネ定数も完全には相殺されず一部残ってしまうのである。したがって、本実施の形態２では、梁を折り返すことで、固定部をなるべく近い位置に配置しているのである。このとき、例えば、固定部３０ａと固定部３０ｂの間の距離は、折り返し部３１ａと折り返し部３１ｂとの間の距離よりも小さくなっている。
【００７２】
本実施例２におけるセンサエレメント１では、第１バネ系の固定部と第２バネ系の固定部の間の間隔を狭くすることを特徴としている。実装歪みや温度変動により基板はある曲率を持って凹凸の形状に変形する。それに従って各固定部の変位量は曲率半径に反比例し、駆動中心からの距離に比例して大きくなる。したがって、第１バネ系の固定部と第２バネ系の固定部が離れている場合は、それぞれの固定部の変位量にも差が生じ、バネ定数の変動量の絶対値にも差が発生する。そこで、本実施例２では、第１バネ系の固定部と第２バネ系の固定部の間隔をできるだけ狭くしているため、第１バネ系と第２バネ系に発生するバネ定数の変動量の絶対値をほぼ等しくすることができる。このことから、固有振動数の変動をより効果的に抑制することができる。
【００７３】
ここで、第１バネ系の梁と第２バネ系の梁をともに折り返すことで、互いの固定部間の間隔を狭くしている。すなわち、第１バネ系の梁と第２バネ系の梁を折り返すことで容易に互いの固定部間の距離を狭くすることができるのである。
【００７４】
続いて、本実施例２の変形例について説明する。図１２に示す本実施例２では、固定部３０ａを例えば２つ設けて、２つの固定部３０ａの間に梁３２ａが形成されている例を示している。これに対し、本変形例では、固定部３０ａを例えば１つ設けて、１つの固定部３０ａを囲むように複数本の梁を設ける例について説明する。
【００７５】
図１３は、可動体５と固定部３５ａとを接続する梁３６ａ〜３６ｄの形成領域および可動体５と固定部３５ｂとを接続する梁３７ａ〜３７ｄの形成領域を拡大して示す図である。図１３に示すように、可動体５と固定部３５ａとの接続は、梁３６ａ〜３６ｄの４本で行なっており、同様に、可動体５と固定部３５ｂとの接続は、梁３７ａ〜３７ｄの４本で行なっている。ここでは、外側の２本の梁３６ａ、３６ｄが可動体５に連結され、内側の２本の梁３６ｂ、３６ｃが固定部３５ａに接続している。そして、梁３６ａ〜３６ｄは折り返し部３１ａによって互いに接続されるように構成されている。図１３では、２本の梁３６ｂ、３６ｃが固定部３５ａに接続されるようになっているが、必ずしも２本である必要はなく、一本もしくは複数本あってもよい。
【００７６】
図１３に示すように複数本の梁３６ａ〜３６ｄで可動体５と固定部３５ａを接続しているので、半導体基板に変形が発生することにより、固定部３５ａが位置変動した場合でも、梁３６ａ〜３６ｄそのものの回転が発生しにくくなるため、より効果的にバネ定数の変動を相殺することができる。
【００７７】
図１４は図１３を用いて説明した梁構造に基板変形が発生し、固定部３５ａ、３５ｂが駆動中心から離れる方向に位置変動（ｄ）した模式図を示す。図１４に示すように、固定部３５ａ、３５ｂの位置変動によって、梁３６ａ、３６ｄ、３７ｂ、３７ｃには引張応力が発生し、梁３６ｂ、３６ｃ、３７ａ、３７ｄには圧縮応力が発生する。ここでは、４本の梁を採用しているため、梁３６ａ、３６ｄに発生した引張応力は、同じバネ系内の梁３６ｂ、３６ｃに発生する圧縮応力によって相殺される。このため、理論的には梁３６ａ〜３６ｄの長さや幅を適切に調整することで、本発明で説明している対称構造にしなくてもバネ系のバネ定数の変動は抑制できるはずである。しかし、ＳＯＩ基板のシリコン層を加工する際に加工バラツキが生じた場合や、固定部３５ａ、３５ｂの位置変動によって可動体５が変形した場合などには理想通りにはならない。
【００７８】
そこで、本変形例では、図１４に示すように、もう１つのバネ系（固定部３５ｂ、梁３７ａ〜３７ｄ）を設けることにより、梁３６ａ、３６ｄに発生した引張応力は、対称的に配置されている梁３７ａ、３７ｄに発生した圧縮応力によって互いに相殺される。同じく、梁３６ｂ、３６ｃに発生した圧縮応力は、梁３７ｂ、３７ｃに発生した引張応力によって相殺される。このとき、梁３６ａ、３６ｄと梁３７ａ、３７ｄ、梁３６ｂ、３６ｃと梁３７ｂ、３７ｃには、加工条件や固定部の変位量など周辺環境がほぼ同じであるため、絶対値がほぼ同じで符号が逆となる応力が発生する。したがって、第１バネ系（固定部３５ａ、梁３６ａ〜３６ｄ）と第２バネ系（固定部３５ｂ、梁３７ａ〜３７ｄ）を組み合わせた１つのバネ組の総応力変化はほぼ０となり、バネ定数の変動が抑制できる。すなわち、第１バネ系を構成する梁３６ａ〜３６ｄの本数と、第２バネ系を構成する梁３７ａ〜３７ｄの本数とを同じにすることにより、個々の梁間での応力の相殺が行なわれ、第１バネ系と第２バネ系を組み合わせた１つのバネ組の総応力変化を低減することができる。この結果、センサエレメントのバネ定数の変動を抑制できる。
【実施例３】
【００７９】
本実施例３では、半導体基板に応力が発生した場合に、センサエレメント全体のバネ定数の変動をさらに抑制することができる例について説明する。
【００８０】
図１５は、本実施例３における加速度センサのセンサエレメント１を示す平面図である。図１５において、本実施例３におけるセンサエレメント１の特徴は、梁３２ａに接続する固定部と梁３２ｂに接続する固定部とを共通の固定部４０ａとすることにある。同様に、梁３２ｃに接続する固定部と梁３２ｄに接続する固定部とを共通の固定部４０ｂとしている。
【００８１】
例えば、梁３２ａと接続する固定部と梁３２ｂに接続する固定部とを別々に形成する場合、必然的に梁３２ａと接続する固定部と梁３２ｂに接続する固定部との間に一定距離が存在することになる。このように、梁３２ａと接続する固定部と梁３２ｂに接続する固定部が離れていると、梁３２ａに働く圧縮応力の大きさと、梁３２ｂに働く引張応力の大きさがかなり相違するために、完全に圧縮応力と引張応力とを相殺することができない。すなわち、理想的には、梁３２ａに働く圧縮応力の大きさと、梁３２ｂに働く引張応力の大きさが等しくなることが望ましい。このことは、梁３２ａと接続する固定部と梁３２ｂに接続する固定部とを共通化することで実現できる。共通化することにより、梁３２ａと接続する固定部と梁３２ｂに接続する固定部が一致することになるので、梁３２ａに働く圧縮応力の大きさと、梁３２ｂに働く引張応力の大きさを等しくすることができるのである。この結果、第１バネ系（固定部４０ａ、梁３２ａ）と第２バネ系（固定部４０ａ、梁３２ｂ）を組み合わせた１つのバネ組の総応力変化をほぼゼロにすることができる。この結果、センサエレメントのバネ定数の変動を最小限に抑制できるのである。
【００８２】
以上述べたように、本発明の技術的思想によれば、センサエレメントとパッケージとの接着、あるいは、センサエレメント単独の構造に起因する応力・歪みが発生したとしても、固有振動数の変動を低減することができる。これにより、より高性能で高信頼性の角速度センサや加速度センサを提供することができる。さらに、実装歪みや、温度変動にロバストとなるため、出荷時の調整作業が簡単となる。したがって、コストの軽減にも寄与できると期待できる。
【００８３】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００８４】
前記実施例１〜３では加速度センサを例に挙げて説明したが、本発明は、加速度センサ以外にも、角速度センサ等の可動体を梁によって支持する構造を有するＭＥＭＳに適用することができ、ＭＥＭＳにおける固有振動数の変動を低減するという顕著な効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
本発明は、微小電気機械システムを製造する製造業に幅広く利用することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１  センサエレメント
２  半導体基板
２ａ  埋め込み絶縁層
３ａ  固定部
３ｂ  固定部
３ｃ  固定部
３ｄ  固定部
４ａ  梁
４ｂ  梁
４ｃ  梁
４ｄ  梁
５  可動体
６  固定電極
７ａ  パッド
７ｂ  パッド
１０  外枠体
１０ａ  パッド
１１  接着材
１２  半導体チップ
１２ａ  パッド
１２ｂ  パッド
１３  接着材
１４ａ  ワイヤ
１４ｂ  ワイヤ
１５  キャップ
２０  集積回路
２１  搬送波
２２  ＣＶ変換部
２３  同期検波部
２４  加速度信号
３０ａ  固定部
３０ｂ  固定部
３０ｃ  固定部
３０ｄ  固定部
３１ａ  折り返し部
３１ｂ  折り返し部
３１ｃ  折り返し部
３１ｄ  折り返し部
３２ａ  梁
３２ｂ  梁
３２ｃ  梁
３２ｄ  梁
３５ａ  固定部
３５ｂ  固定部
３６ａ  梁
３６ｂ  梁
３６ｃ  梁
３６ｄ  梁
３７ａ  梁
３７ｂ  梁
３７ｃ  梁
３７ｄ  梁
４０ａ  固定部
４０ｂ  固定部
１００  センサエレメント
１０１  半導体基板
１０２ａ  固定部
１０２ｂ  固定部
１０３  梁
１０４  振動体
１０５  梁
１０６  振動体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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